В новом отчете, опубликованном в Matter, Ликонг Ан и группа ученых в области материаловедения, промышленной инженерии и центра нанотехнологий в Университете Пердью, США, и Уханьском университете, Китай, описали передовой метод лазерной литографии. Этот метод облегчил формирование электронно-самозащитных рисунков жидкого металла с размерами элементов в субмикромасштабе, чтобы сформировать один из рисунков металлической поверхности с самым высоким разрешением на сегодняшний день. Уникальная структура и прочные узоры обеспечивали электрическую функциональность, несмотря на внешние повреждения. Такие электрические самозащитные материалы с высоким разрешением подходят для наноприложений следующего поколения.
Представляем новый метод: импульсная лазерная литография (PLL)
Область электроники высокой плотности имеет большое значение в материаловедении и подходит для формирования моделей высокой плотности для интегрированной электроники в суровых условиях. Ученые-материаловеды и промышленники использовали галлий-индий (EGaIn) при комнатной температуре для разработки моделей с высокой плотностью благодаря их отличительным свойствам , включая высокую текучесть, высокую электропроводность и высокую деформируемость. Исследовательские усилия по разработке моделей из жидкого металла с высоким разрешением основаны на литографическом моделировании среди разнообразных методов, которые широко используются в электронных приложениях для жидкометаллических батарей, микрофлюидики и устройств сбора энергии.
В этой работе главный автор и научный сотрудник Ликонг Ан, который в настоящее время работает в отделе материаловедения Университета Пердью, описал этот метод как «практичный и масштабируемый метод изготовления самоупакованных моделей из жидкого металла с высоким разрешением». Команда намерена «практически интегрировать электрические чипы для использования в суровых условиях». Ученые в первую очередь представили метод импульсной лазерной литографии в этой работе для создания трехмерных моделей из жидкого металла с субмикронным разрешением, защищенных механически стабильной оболочкой из оксида. Ликонг Ан подчеркнул важность этого подхода: «Впервые метод одноэтапной литографии можно напрямую использовать для создания рисунка из жидкого металла», — сказал он.
Далее он определил практические последствия метода «из-за высокого поверхностного натяжения и текучих структур по сравнению с традиционным литографическим рисунком. Это первый случай, когда метод литографии используется для прямого моделирования жидких металлов». Таким образом, работа, описанная здесь, является «первой попыткой внедрить передовую лазерную литографию в качестве одношагового процесса для прямого создания высокоэффективных моделей из жидкого металла», — сказал он.
Эксперименты: разработка наночастиц жидких металлов (LMNP)
Исследовательская группа резюмировала метод разработки жидкометаллических моделей с высоким разрешением в четыре этапа. Сначала они распыляли наночастицы жидкого металла .(LMNP) на подложку с образованием тонкой пленки LMNP. Затем импульсный лазерный луч фокусировался на поверхности тонкой пленки, где падающий луч рассеивался из-за наноструктуры ее поверхности, с последующей абляцией LMNP и подложки, где пиковая интенсивность энергии достигала порога абляции. Индуцированный лазером удар действовал как сжатие, создавая давление на частицы жидкого металла, и команда использовала энергию лазера в качестве основного параметра для управления формированием узоров с высоким разрешением. Команда регулировала сверхбыструю скорость нагрева и охлаждения с помощью лазера, чтобы создать трехмерный однородный оксидный слой на верхней поверхности трехмерной архитектуры с повышенной механической стабильностью для высокой устойчивости к внешним повреждениям.
Ликонг Ан подчеркнул, что эта работа «одна из жидких металлических фигур с самым высоким разрешением на сегодняшний день», и сказал: «Жиметаллические фигуры с высоким разрешением сохраняют размеры элементов всего 0,5 мкм с интервалом между линиями 0,5 мкм, чтобы сформировать одну из самых высоких разрешающая способность жидких металлов на сегодняшний день в субмикронном масштабе».
Синтез жидких металлических наночастиц (ЖМНЧ)
Согласно предыдущим отчетам , исследовательская группа разработала наночастицы жидкого металла путем ультразвукового диспергирования объемного сплава EGaIn.в этаноле с образованием LMNP посредством молекулярной самосборки со средним диаметром около 200 нм. Тонкий оксидный слой также обычно быстро образуется во время процесса обработки ультразвуком, чтобы удерживать металлические частицы в сферической форме. Ан и др. нанесли распылением подготовленные LMNP на подложку на основе кремния, чтобы сформировать тонкую пленку наночастиц, и сохранили тонкую пленку непроводящей, при этом используя источник волоконного лазера для создания наноструктур. Ликонг Ан подчеркнул механизм усовершенствованной техники лазерной литографии: «метод может вызывать высокое лазерное давление, действовать как сжимающий шок, создавая давление на частицы жидкого металла». Он продолжил: «Когда сжатие проходит, частицы размером 200 нм выдавливаются в прочную оксидную оболочку размером 20 нм.
Характеристика материалов и прорыв
Ученые подтвердили формирование индуцированных лазером периодических узоров из жидкого металла с помощью методов энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и картирования элементов, чтобы показать присутствие кремния, галлия и оксида, а жидкий металл отпечатался на подложке. Прорывная лазерная техника также преодолела оптические ограничения лазера. Ликонг Ан сказал: «Все знают, что существует прямая корреляция между разрешением рисунка жидкого металла и размером инструмента для обработки, наша революционная лазерная литография сломала это общеизвестное, впервые создав узоры с субмикронным разрешением».
Он считает, что «схемы могли бы достичь гораздо более высокой калибровки, если бы использовался лазер с меньшей длиной волны». Команда также смоделировала формирование наноструктуры и подчеркнула одностадийный процесс прямого нанесения рисунка из жидкого металла; еще одна важная особенность исследования. Они объединили ряд экспериментальных методов, чтобы охарактеризовать запатентованный элементный состав оксидной оболочки, покрывающей наноструктуры из жидкого металла, с улучшенными механическими свойствами по сравнению с ранее существовавшими традиционными методами создания жидкометаллических структур.
Перспективы: прогресс и потенциал
Таким образом, Ликонг Ан и его коллеги разработали электронные самозащитные рисунки из жидкого металла с высоким разрешением с помощью метода импульсной лазерной литографии (PLL), чтобы создать один из жидких металлов с самым высоким разрешением на сегодняшний день. Команда предполагает применение нового материала в нанотехнологиях следующего поколения с высокой плотностью интеграции, подходящих для требовательных приложений. Исследовательская группа состояла из ключевых участников сотрудничества между основным автором и научным сотрудником Ликонг Аном, а также междисциплинарными коллегами, включая профессора Гэри Дж. Ченга, члена Американской ассоциации содействия развитию науки.
